CN1302357C - 用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，包括：内装溶质溶液的储液池，其散热面上装有散热肋片、散热面上方装有散热风扇；还可在储液池散热面与散热风扇之间安装冷凝器，冷凝机壳的外表面上装有散热肋片；冷凝机壳冷端与微泵入口相连通，微泵出口与储液池相连通；冷凝机壳热端与储液池相连通；还可在储液池内上部吊装一弹力阀；其制造工艺简单，具有可控温度范围宽、散热速度快、操作简便、结构简单、成本低等优点；可满足发热密集度日益增长的计算机应用的需要。

Description

用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置

技术领域

本发明涉及计算机芯片降温的冷却装置，特别涉及一种用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置。

背景技术

个人计算机、工作站及笔记本电脑等高功率电子设备中存在的一个重要问题是如何将芯片稳定在一个合理的工作温度，即使芯片产生的高密度热量迅速有效地散走。对诸如计算机芯片等微小系统进行冷却的困难在于：对于现有的冷却方式和体系结构而言，首先，过高的冷却空气速率会造成大的声学噪音；其次，电子设备架构的紧凑性要求仅允许保留有限的冷却空间；第三，模块上应尽可能避免安装大尺寸热沉。以上这些问题均说明了发展高功率密度散热器件的重要性，而体积小、效率高正是其中两个最重要的指标。伴随着微电子产业的发展，针对各类电子器件中相当高的热源密度，寻找具有高效热输运效能的散热方法一直是人们追求的目标。

目前，人们一般采用受迫对流空气来冷却发热器件，即利用风扇将冷却空气压送至散热器件表面以将该处热量散走，但此种方式散热量有限，且冷却效率与风扇速度成正比，而风扇速度过快会产生显著的噪音；而且微器件发热密度很高，空气冷却将难以胜任。随着计算机芯片技术的发展，芯片尺寸减小，集成度、功耗却进一步增加，对散热器换热强度的要求也越来越高，采用水冷或热管散热的方式已提到日程上来，相应产品也零星出现在市场上。水冷方式虽然散热效率较高，但由于在运行中，蒸发、凝聚、水垢等因素会导致局部器件老化、腐蚀，因而对水质及管道的要求较高，另外密封不好会导致泄露，其可靠性有待提高。据报道，目前采用的水冷方式易于烧毁芯片，其关键原因就是水冷系统还不可靠，一旦某些故障导致水流循环停止，芯片产生的热量无法排走，其温度将迅速攀升，直至芯片烧毁。

考虑到上述因素，研究人员正考虑采用相变换热方式来排走热量。采用相变传热与单相传热或导热相比，所需工质少，热输运量大，因而可有效减轻重量。在这类散热技术中，最典型的莫过于热管技术，它以相变(蒸发与凝结)换热作为传热的主要方式，具有传热能力大、温度控制能力强、传热效率高等特点，在计算机元器件散热方面的应用已引起重视。但热管不易制作，如芯体材料的制备、工质封装、维护等相当复杂，这对其广泛应用产生很大限制。

对计算机芯片主动制冷以实现有效的散热已提到应用层面上来，为实现制冷，必须使制冷剂能达到较之环境介质更低的温度，并不断从被冷却物体吸取热量。一般计算机芯片的工作温度在60℃左右，所以，若将封闭空间抽成真空，则此空间内的溶液更易于蒸发，从而有利于热量的输运。

用冰盐混合物的溶化过程获得零摄氏度以下的低温是一种介于天然制冷和人工制冷的方法[邱忠岳译，世界制冷史，北京：中国制冷学会，2001]。很早以前，人们就发现在水中加盐，尤其是加硝酸钠，可以制冷。这种效应在芯片冷却方面可以得到极好的应用。溶质溶解降温的物理过程[张祉祜主编，制冷原理与设备，北京：机械工业出版社，1989]为：首先冰吸热溶化，并在其表面上蒙有一层水膜，此时温度为0℃；接着盐便溶解于水膜中，吸收一定的溶解热，而使温度降低；此后，冰在较低的温度的盐水中下溶化，热交换通过冰块表面上的盐水膜进行。当冰全部溶化，盐全部溶解后便形成具有一定浓度的盐水溶液。冰盐所能达到的温度与盐的种类以及溶液的浓度有关，本发明循环的原理正基于此。通常选用的盐类有：(NH4)2NO3，NaCl，CaCl2·6H2O，LiBr等。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种通过将盐溶质溶解于特定液体以实现主动降温的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置；其关念新颖，不同于现行计算机冷却技术中采用的液体散热技术，而是采用了具有主动冷却功能的液体及固体工质，大大增强了热量输运能力，可实现在小空间内完成高强度散热的目的。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，其特征在于，包括：一内装溶质溶液的储液池1，储液池1由制冷面2和散热面组成；

所述的散热面上安装有散热肋片5，所述储液池1的散热面上方安装有散热风扇6；储液池1中溶质溶液中的溶质为盐类或盐类混合物，所述盐类包括(NH4)₂NO₃，NaCl，CaCl₂·6H₂O或LiBr；溶质溶液中的溶剂为水；

在储液池1的散热面与散热风扇之间安装一冷凝器，该冷凝器的冷凝机壳8的外表面上安装有散热肋片5；冷凝器冷端通过第一回液管道11与微泵12入口相连通，微泵12出口通过第二回流管道13与储液池1相连通；冷凝器热端通过蒸汽管道10与储液池1相连通；

一弹力阀63通过一吊装支架77安装在储液池1内上部，所述弹力阀63由相连的上、下固定板及固定安装在上、下固定板之间的压簧55组成，所述上固定板固定安装在吊装支架77中心孔的下端；

所述的散热肋片5为平片式或盘管式散热肋片，其材质为高导热金属铝、铜、银或硅材料；每一肋片5尺寸在10nm×10nm×10nm到5cm×5cm×5cm之间；散热肋片5横截面形状可为正方形、三角形或圆形；所述散热风扇6设置有整流罩7；本发明的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置总体尺寸在2000mm×2000mm×2000mm到10mm×10mm×10mm之间。

使用时，将本发明的装置的制冷面接触计算机芯片，不与芯片表面相接触的散热面上安装有散热肋片，用于增强换热；散热肋片的形式可多样化，当它置于空气中，肋中的热量通过空气受迫对流及辐射的方式排出；肋片上端设置风扇以强化空气对流；在器件材料选择上关键散热面如冷却面、肋片由高导热金属如铝、铜或银等材料做成。

本发明的溶质溶解制冷的方式之所以长期未被重视，原因在于没有实现循环冷却，其应用受到很大限制，因此一旦溶质溶解完毕，其制冷效果也因工质完全溶解而基本趋于终止。所以，要使这种方法得以应用，必须解决循环制冷的途径。实现这一目标的可行作法是，在溶质溶解后，可再次将溶质与溶剂分离开。为将溶池内水分与溶质分离开，本发明的方案是：利用芯片的热量加热蒸发溶液，由此分离(也可采用其他途径)获得盐溶质，而蒸发产生的蒸汽可使其冷却以供新一轮溶解制冷用。

制冷盐溶化过程中，如果盐水的浓度比共晶浓度低，当其从常温冷却时，开始有水形成，继而冻结成冰。如果盐水的初始浓度大于共晶浓度，则首先冻结成固体的是盐而不是水冰。当这样的盐水被冷却到共晶温度时，即变成为共晶溶液与固体盐的混合物。对于低于共晶浓度的溶液，随着浓度的增加，起始凝固温度不断降低；对于高于共晶浓度的溶液，随着浓度的增加，起始凝固温度不断升高。因此，实际过程中使用的总是低于共晶浓度的溶液。

为了达到较好的制冷效果，一般可选择溶解温度较低的盐类物质。用作本发明的盐类一般应满足如下要求：与溶液混合后的最低温度较低；不燃烧，不爆炸，无毒，对金属不起腐蚀作用，与润滑油不起化学作用，高温下不分解，同时对人体无毒害；价格便宜，便于获得；具有一定的热稳定性；比热要大，这样在传递等量冷量时，可使流量减小，因而减少了泵功率和管进的材料消耗，提高了循环的效率和经济性。

供选用的盐类有：(NH4)2NO3，NaCl，CaCl2·6H2O，LiBr等。在采用盐水制冷时，常用的是氯化钙溶液，有时也使用氯化镁或氯化钠溶液。这些溶液的共晶点是：氯化钙-55℃；氯化镁-17℃；氯化钠-21℃。而实际使用的温度应比共晶温度略高。例如，对氯化钙溶液，使用的最低温度希望不低于-40℃。关于氯化钙、氯化钠水溶液等的热物理性质，详细数据可参见文献[张祉祜主编，制冷原理与设备，北京：机械工业出版社，1989]。

本发明的关键之处在于引入了用于芯片冷却的溶质溶解降温冷却的关念，即在流道内引入可产生降温作用的溶质，实现一种新的循环方式。由于溶质溶解会产生冷量，由此可造成远高于普通液体或相变散热的效果，因而可快速高效的输运热量，这相对于以往使用气体或液体作流动工质的作法是一个革新。目前，尽管许多盐溶液均具备溶解降温的特点，但比较合适的用于芯片散热的工质大致是溴化锂(LiBr)。溶液可为水或有机溶剂等；也可采用多元混合物，可获得降温范围更宽的混合工质。上述情况表明，利用溶质溶解降温可以很好地用于自维持型的热量输运。同时，只要在流道中设置一个微泵，即可驱动微管内流体工质的流动。为进一步溶质溶解降温的效果，本计算机芯片冷却装置还可设置散热肋片结构，以保证芯片运行的稳定可靠。

本发明由于采用溶质溶解制冷，可实现主动的降温，且连续性好，具有结构简单、成本低廉，操作十分简便等优点，可望成为一种较好的芯片散热装置。相比以往的液冷式散热装置，本发明结构相当简单，无运动部件，且运行安全，可选用工质范围广，成本低；同时，较之以往单纯的被动散热，溶解制冷是一种主动式降温，可以产生更好的散热效果。

附图说明

附图1为本发明(一实施例)的结构示意图；

附图2为本发明(又一实施例)的结构示意图；

附图3为本发明(再一实施例)的结构示意图

其中：储液池1            制冷面2        溶质溶液4

      肋片5风扇6         整流罩7

      冷凝机壳8          蒸汽管路10     第一回液管道11

      微泵12             第二回液       管道13阀门66

      弹力阀63           吊装支架77     压簧55

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明：

附图1为本发明的结构示意图，也是本发明的一个实施例；由图可知，本发明的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，包括：一内装溶质溶液(本实施例的溶质为(NH4)₂NO₃，溶剂为水)的储液池1，储液池1由制冷面2和散热面组成；散热面上安装有散热肋片5，储液池1上方的散热肋片5之上安装有散热风扇6，所述散散热风扇6设置有整流罩7；

所使用的散热肋片5为平片式散热肋片，其材质为高导热金属铝；每一肋片5尺寸为10nm×10nm×10nm；横截面形状可为正方形；本实施例的发明的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置总体尺寸为2000mm×2000mm×2000mm。

为了进一步增强其降温制冷效果，本实施例还可以在储液池1内上部吊装一弹力阀63：即如图2所示，将一弹力阀63通过一吊装支架77安装在储液池1内上部，该弹力阀63由相连的上、下固定板及固定安装在上、下固定板之间的压簧55组成，所述上固定板固定安装在吊装支架77中心孔的下端。

实施例2

附图3为本发明的结构示意图，也是本发明的另一个实施例；由图3可知，本发明的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，还进一步包括：安装在储液池1的散热面与散热风扇之间的一冷凝器，该冷凝器的冷凝机壳8内抽真空并装有溶质溶液，冷凝机壳外表面上安装有散热肋片51；冷凝器冷端通过第一回液管道11与微泵12的入口相连通，微泵12出口通过第二回流管道13与储液池1相连通，冷凝器热端通过蒸汽管道10与储液池1的上端相连通，本实施例的储液池1中装的溶质为NaCl，冷凝机壳8内装的溶质为含NaCl和CaCl₂·6H₂O的混合物；

肋片5可采用多种形式，如直肋、环肋或盘管类，当它置于空气中，其内部热量通过空气受迫对流及辐射的方式排出，此时散热器上设置有风扇6以强化空气对流。整流罩用来保证风量的方向性以及减小噪音。肋片与机壳由高导热金属如铝、铜或银等材料做成。肋片与机壳的结合方式可以为一个整体(两者采用同种材料)或采用插翅或热胀的办法加以连接；蒸汽管路10由绝热材料做成；回液管道11，12的材质可选用金属或塑料；

肋片5与储液池1和冷凝机壳8可通过机加工或其他成熟技术制作出，除入口出口外还另留开口，以便对容器抽真空后，即形成内部循环通道为密闭的高效散热机构，将其贴附于待散热的芯片表面，通过启动特定装置加入工质即可实现热量的高效传输。根据需要，整个散热结构的尺寸可根据需要制作，对于计算机芯片的冷却较为灵活。本发明使用的溶质、溶液除采用最常见的BrLi、水外，也可采用其他配合材料(如CaCl₂和水)。流道的结构形式可根据需要加以制备，并可实现多种形式的组合。散热肋片可为平片型，也可为其他形状如环状。微泵12为市售，可将购置到的微泵12，通过回液管道11，12连接散热端与冷凝端，并在散热运行时驱动管道内的流体；

本发明提供的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置在工作原理上与传统散热器有着实质性差别，即它首次采用溶质溶解降温来实现对芯片的主动冷却及散热(至今国内外文献和专利中均无相同方法的报道)；其结构如图1，2所示。外表设有肋片，在储液池1中充满着固、液态工质。当散热器基底连接热源时，热量即通过机壳1基底传给其内的液体经由蒸汽传至以及散热片表面的肋片5，再由风扇6通过受迫对流方式散走，由于在真空下，液体受热易于蒸发，当其上升至一定部位，因受外界冷却而由发生凝结，变回液体状态，此后再与溶质发生混合，二者作用的结果是产生降温，从而实现高效而快速的芯片散热作用。为了增大散热性能，此处的表面可以作成多种形式的肋片，图1示出了储液池1表面全部设置有肋片5的情况，因而可以通过极大地扩展散热表面将热量排走。而在图3中，在流动管道内设置有微型泵4，可在流道内造成一定压差，驱动冷凝流体的流动，持续完成新的热量输运循环。

为达到较好的散热效果，一般用作本发明的溶质及溶液应满足如下要求：无毒，对所接触材料不起腐蚀及化学作用，在100℃左右的高温下不发生化学反应；便于获取；具有一定的热稳定性；比热、热导率和热扩散率要高，因而在传递一定的热量时，可使流量小，传热迅速。工质应与结构材料相容，所选工质应不能造成对散热器系统部件产生腐蚀和锈化等影响使用器件寿命的不利因素。此外，工质还应具有较大的制冷系数。目前，比较适合于作为芯片散热器中的溶质及溶液是BrLi和水。

为减少储液池1与制冷面2之间的导热热阻，可充分减小溶解池底端壁厚并采用高导热率介质；为减少制冷面2与芯片之间的导热热阻，可选用在二者界面之间充填高热导率油脂。这些措施保证了容器内产生的冷量能很快传到冷端面上。冷端即可用于冷却。

本发明的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置可方便地用于将器件产生的热量从其表面导走。以实施例1为例，根据待散热表面面积大小及需要散热的功率，设计不同尺寸，将其底端紧贴于芯片发热表面，二者之间的接触面可采用高导热率油脂以增加传热效果；如此，器件内产生的热量即可基底传输到储液池的液体中，有蒸发气体最终经由散热肋片5排走，从而使芯片维持在一个正常的工作温度。

综上所述，只要保证周期性地获得一定的溶质，则可获得持续的冷量供应，由此即实现了基于溶质溶解的新型制冷装置。

本发明具有很多优点，首先，基于溶质及溶液混合可以实现主动的降温，与以往单纯的散热相比，其输运热量的能力较高；本发明集肋片散热和溶质溶解降温冷却于一体，拓展了传统芯片散热的概念。多个散热器还可组合成更丰富的结构，因而适用面更宽；其次，整个循环过程是封闭的，有助于减少样品消耗，而盐类制冷剂对人体及环境无污染，即使有开放，也不至造成对臭氧层的破坏，不会对环境造成影响；再者，本发明制冷方便，机构较少，容易操作，且可通过改变溶液浓度实现多种低温的调控，溶质可选择的种类较多；最后，本发明中的一体式降温制冷装置可以在有限的空间中达到去除电子芯片热量的作用，而对于分体式装置，还可将热量输运较长的距离，即将不能满足当地散热的芯片中的热量传输到可以满足散热条件的地方，因而分体式装置在笔记本等便携式电子设备中可以得到较好的应用。正是由于这些综合因素，使得本发明的制造成本、价格较低，因而相比一些制冷设备而言，具有一定的竞争性。

以实施例1为例，使用本发明的制冷过程如下：

1.根据所需要的冷量大小，设置好溶质量的多少及待加入水分的多少，使溶质及水在设定的比例下溶解并达到稳定的降温状态，接着停止水的加入，此时冷端已开始提供出一定量的制冷量。

2.待溶质及水达到充分混合和溶解后，发热芯片会对储液池内溶液加热，使之蒸发，则原先与溶质混合在一起的水分由上部冷凝析出，但此后液滴重量不断增加，在重力的作用下打开阀门66重新回到溶解池中，此时溶质溶解，又发生新的制冷；

3.循环重复上述过程，即可完成周而复始的溶解、制冷、析出、溶解、制冷的过程。

实施例2的制冷过程与实施例1的制冷过程相似，所不同的是冷凝是在冷凝器中完成，并且液体的回流可以借助微泵来实现。

Claims (7)

1、一种用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，其特征在于，包括：一内装溶质溶液的储液池(1)，储液池(1)由制冷面(2)和散热面组成；

所述的散热面上安装有散热肋片(5)，所述储液池(1)的散热面上方安装有散热风扇(6)；

储液池(1)中溶质溶液中的溶质为盐类或盐类混合物，所述盐类包括(NH₄)₂NO₃，NaCl，CaCl₂·6H₂O或LiBr；溶质溶液中的溶剂为水；

在储液池(1)的散热面与散热风扇之间安装一冷凝器，该冷凝器的冷凝机壳(8)的外表面上安装有散热肋片(5)；冷凝器冷端通过第一回液管道(11)与微泵(12)入口相连通，微泵(12)出口通过第二回流管道(13)与储液池(1)相连通；冷凝器热端通过蒸汽管道(10)与储液池(1)相连通。

2、按权利要求1所述的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，其特征在于，一弹力阀(63)通过一吊装支架(77)安装在储液池(1)内上部，所述弹力阀(63)由相连的上、下固定板及固定安装在上、下固定板之间的压簧(55)组成，所述上固定板固定安装在吊装支架(77)中心孔的下端。

3、按权利要求1或2所述的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，其特征在于，所述的散热肋片(5)为平片式或盘管式散热肋片，其材质为高导热金属铝、铜、银或硅材料。

4、按权利要求1或2所述的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，其特征在于，其总体为2000mm×2000mm×2000mm到10mm×10mm×10mm之间。

5、按权利要求1或2所述的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，其特征在于，所述每一肋片(5)尺寸在10nm×10nm×10nm到5cm×5cm×5cm之间。

6、按权利要求1或2所述的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，其特征在于，所述散热肋片(5)横截面形状可为正方形、三角形或圆形。

7、按权利要求1或2所述的用于计算机芯片降温的溶质溶解降温冷却装置，其特征在于，所述散热肋片(5)上设置有整流罩(7)。

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